晶体与矿物材料.ppt

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1、晶体与矿物材料 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 金属及金属互化物金属及金属互化物 氧化物氧化物 氢氧化物氢氧化物 晶体化学与晶体结构晶体化学与晶体结构1 1 矿物学和矿物材料矿物学和矿物材料 矿物及矿物学矿物及矿物学 （1）在各种地质作用中所形成的天然单质或化合物；3000多种矿物。（2）具有一定的化学成分和内部结构,有一定的形态、物理性质和化学性质。（3）在一定的地质条件和物理化学条件下是稳定的。（4）岩石和矿石的基本单位。（5）地质学基础科学。

2、矿物材料矿物材料 材料科学研究的重要内容。2 2 矿物的化学成分矿物的化学成分 地壳的化学成分(见表)(1)质量克拉克值:地壳中化学元素的平均含量的质量百分数。(2)原子克拉克值:用各元素的原子数在地壳中所有元素的总原子数中所占的百分数。(3)体积百分比。(4)氧（O）的质量克拉克质为46.60,原子克拉克质为62.55,氧离子的半径为0.140nm，体积百分比93.77。3 3 矿物分类及命名矿物分类及命名(1)自然元素:金属元素、半金属元素、非金属元素(2)硫化物及类似化合物:简单硫化物、复硫化物、硫盐(3)氧化物和氢氧化物(4)硅酸盐类矿物(5)硼酸盐、磷酸盐、硫酸盐、碳酸盐、氟化物4

3、4 矿物成因矿物成因 岩浆成因(酸性、中性、基性、超基性、碱性、热液型、伟晶型)沉积成因变质成因。5 5 矿物物性矿物物性 形态、光学、电学、磁学、力学、放射性等 6 6 自然元素矿物自然元素矿物 等大球紧密堆积等大球紧密堆积 金属互化物的晶体结构金属互化物的晶体结构 在晶体结构中，质点之间尽可能相互靠近，占有最小空间，相互作用力达到平衡，内能达到最小，晶体为最稳定。在离子晶格离子晶格中和金属晶格金属晶格中离子键、金属键无无方向性和饱和性方向性和饱和性。晶体结构晶体结构可看成大的质点（大的原子、阴离子和少数分子）作球体最紧密堆积，小的质点（小的原子、小阳离子）充填大质点堆积的空洞。等大球体最紧

4、堆积等大球体最紧堆积 位置有三种用位置有三种用ABCABC表示。表示。立方最紧密堆积表示立方最紧密堆积表示为 ABCABCABCABC，ACBACBACBACB；六方最紧密堆积表示六方最紧密堆积表示为 ABABABAB，ACACACAC。还有立方六方混合堆积。还有立方六方混合堆积。ABABCACCACBABBABCACCACBB 在在n个等大球体作最紧密堆积中会有个等大球体作最紧密堆积中会有n n个八面体个八面体空洞空洞(六次配位)，2n2n个四面体个四面体空洞空洞(四次配位)。*在金属晶格为主的自然金属元素矿物中，自然金金（Au）的晶体结构，可看成Au原子作立方立方最紧密堆积而成；自然锇锇（

5、Os）的晶体结构，可看成Os原子作六方六方最紧密堆积而成。金属元素、半金属元素、非金属元素 概述 等大球最紧密堆积立方、六方n个八面体空洞、2n个四面体空洞A、B、C三种堆积方式。自然金Au 金属元素，等轴晶系，立方最紧密堆积，Fm3m，a0.4078nm,Z4 自然铜Cu 自然银Ag 自然铂Pt金属元素，等轴晶系，立方最紧密堆积，Fm3m，a0.3913nm,Z4 自然钯Pd、自然铱Ir；自然Os 六方最紧密堆积，P63/mmc，a0.27341nm、c0.43197nm，Z2。自然铋Bi 半金属元素，R-3m 自然硫 S 非金属元素 金刚石C石墨C富勒烯C60 7 7 氧化物和氢氧化物氧化

6、物和氢氧化物 等大、非等大球最紧密堆积问题，成分问题等大、非等大球最紧密堆积问题，成分问题 *在离子晶格为主的氧化物矿物中，晶体结构可看成质点（氧原子、离子）作球体最紧密堆积，阳离子规律充填一些八面体、四面体空洞。（1）氧最紧密堆积、小阳离子充填有关空洞。如刚玉AlAl2 2O O3 3中，氧沿3 3次轴作六方最紧密堆积六方最紧密堆积，Al充填2 23 3的八的八面体空隙面体空隙。（2）由氧和大阳离子最紧堆积，小阳离子充填有关空洞，例如钙钛矿CaTiO3。（3）氧最紧密堆积、中等阳离子充填有关空洞，结构发生变形，如Nb、Ta、W等氧化物。（4）共价键为主的矿物结构，如石英SiO2等。Hgbom

7、ite:8H*,10H,10T,12H,14T,24R,30H,30R,36R.Pengzhizhongite:6H*,24R.Nigerite:6H*,12H,24R*Taaffeite:8H*,18R.Pehrmanite:8H,18R.复杂氧化物的晶体结构与晶体化学复杂氧化物的晶体结构与晶体化学 图图 彭志忠石彭志忠石6H6H结构模型结构模型尼日利亚石：（尼日利亚石：（FeFe，ZnZn，AlAl）4 4（SnSn，FeFe）2 2AlAl1010O O2222（OHOH）2 2黑铝镁铁矿：（黑铝镁铁矿：（MgMg，ZnZn，FeFe，AlAl）4 4AlAl8 8O O1616彭志忠石

8、：彭志忠石：Mg Mg2 2（FeFe，ZnZn，AlAl）2 2（SnSn，FeFe）2 2AlAl1010O O2222（OHOH）2 2尼日利亚石属三方晶系，空间群P-3m1Pm1 8 8 硅酸盐的晶体化学与晶体结构硅酸盐的晶体化学与晶体结构 硅酸盐的基本特征硅酸盐的基本特征 （1）成分 （2）硅氧骨干：岛、环、链(单、双)、层、架、过渡型 （3）铝的作用 （4）类质同像 （5）附加阴离子 （6）化学键 （7）硅酸盐中的“水”，（OH）、H2O。硅酸盐的晶体化学分类硅酸盐的晶体化学分类 (1)(1)岛状岛状 (2)(2)环状环状 (3)(3)链状链状 (4)(4)层状层状 (5)(5)架

9、状架状 (6)(6)过渡状过渡状 岛状硅酸盐岛状硅酸盐 （1 1）锆石）锆石 ZrSiO4 I41/amd,a=0.662nm、b=0.602nm，Z=4 （2 2）橄榄石）橄榄石 (Mg,Fe)2SiO4,Mg2SiO4-Fe2SiO4 Pbnm,a=0.4754nm、b=1.0197nm，Z=4环状硅酸盐环状硅酸盐 (1)(1)电气石电气石 Na(Mg,Fe,Mn,Li,Al)3Al6Si6O18BO33(OH,F)4 R3m,a=1.584-1.603nm,c=0.709-0.722nm,Z=3 (2)(2)绿柱石绿柱石 Be3Al2Si6O18 P63/mmc，a=0.9188nm、c

10、=0.9189，Z=2链状链状 （1 1）辉石（单链）透辉石）辉石（单链）透辉石 CaMgSi2O6CaFeSi2O6 C2/c，a=0.9746-0.9845nm、b=0.8899-0.9024、c=0.5251-0.5245nm （2 2）角闪石（双链）透闪石）角闪石（双链）透闪石 Ca2Mg5Si4O112(OH)2 C2/m，a=0.984、b=1.805nm、c=0.528nm层状硅酸盐层状硅酸盐（1 1）滑石）滑石 Mg3Si4O10(OH)2 C2/c，a=0.527、b=0.912、c=1.855nm,=100,Z=4 （2 2）叶腊石）叶腊石 Al2Si4O10(OH)2 C

11、2/c，a=0.515、b=0.892、c=1.895nm，=99.55,Z=2 （3 3）白云母）白云母 KAl2AlSi3O10(OH)2 C2/c，a=0.519、b=0.900、c=2.010nm，=95.11,Z=4（4 4）高岭石）高岭石 Al4Si4O10(OH)8 P1，a=0.514、b=0.893、c=0.737nm，=91.8、=104.7、=90,Z=1架状硅酸盐架状硅酸盐 (1)(1)正长石正长石 KAlSi3O8 C2/m，a=0.8562、b=1.2996、c=0.7193nm，=116.09,Z=4 (2)(2)斜长石斜长石 NaAlSi3O8CaAl2Si2O

12、8 1）NaAlSi3O8 a=0.8135、b=1.2788、c=0.7154nm，=94.13、=116.31、=87.42,Z=4 2）CaAl2Si2O8 a=0.8177、b=1.2877、c=1.4169nm，=93.10、=115.51、=91.13,Z=8图图1 1 岛型型硅氧骨干的不同类型的岛型型硅氧骨干的不同类型的（a）孤立硅氧四面体；（b）双硅氧四面体；（c）三硅氧四面体；（d）中心为铝氧四面体，其他硅氧四面体1 1 岛状基型硅酸盐矿物岛状基型硅酸盐矿物 图图2 2 单层环硅氧骨干及斧石环硅氧骨干的不同类型单层环硅氧骨干及斧石环硅氧骨干的不同类型（a）三方环；（b）四方环

13、；（c）六方环；（d）三环和九环共存；（e）斧石环；（带耳的六环）2 2 环状基型硅酸盐矿物环状基型硅酸盐矿物 图图3 3 三种类型的双层环硅氧骨干三种类型的双层环硅氧骨干（a a）双三环；（）双三环；（b b）双四环；（）双四环；（c c）双六环）双六环（a a）辉石）辉石Si2O6Si2O6链；（链；（b b）高温）高温Ba2Si2O6Ba2Si2O6链（合成）；链（合成）；（c c）硅灰石）硅灰石Si3O9Si3O9链；（链；（d d）水硅钡石）水硅钡石Si4O8Si4O8（OHOH）44链；链；（e e）硅钒锶石）硅钒锶石Si4O12Si4O12链（归入层状基型；链（归入层状基型；3

14、3 链状基型硅酸盐矿物链状基型硅酸盐矿物 （f）蔷微辉石Si5O15链；（g）硅钙锡石矿Si7O21链；（h）三斜锰辉石Si2O6链；（i）铁辉石Si9O27链（合成）；（j）铅辉石Si12O36链；（k）铝钛硅石链（归入架状基型）；（l）钛铁钠石链；（m）星叶石链。（l）和（m）也可归入层状基型图图4 4 单链类型的硅氧骨干单链类型的硅氧骨干图图5 5 双链的类型双链的类型（a a）夕线石链；（）夕线石链；（b b）闪石）闪石Si4O11Si4O11链；（链；（c c）Li4SiGe3O10Li4SiGe3O10链链 （合成）；（合成）；（d d）硬硅钙石）硬硅钙石Si6O17Si6O17链

15、；（链；（e e）板晶石）板晶石Si6O15Si6O15链；（链；（f f）紫钠铝硅石）紫钠铝硅石Si12O30Si12O30链链图图6 6 似管链似管链（a a）硅铁钠钛钾石）硅铁钠钛钾石Si8O20Si8O20链；（链；（b b）短柱石）短柱石Si8O20Si8O20链，可归入链，可归入架状基型架状基型 图图7 7 阳离子配位多面体与链的类型之间的制约关系阳离子配位多面体与链的类型之间的制约关系（a a）辉石键；（）辉石键；（b b）硅灰石键；（）硅灰石键；（c c）高温）高温Ba2Si2O6Ba2Si2O6链链4 4 层状基型硅酸盐矿物层状基型硅酸盐矿物 图图8 8 不同类型的六方网层不

16、同类型的六方网层（a）硅钡石六方网层；（b）云母网层；（c）叶蛇纹石网层（d）；海泡石网层；（e）坡缕石网层图图9 9 具六方网层的层状基型硅酸盐矿物的晶体结构断面单位图具六方网层的层状基型硅酸盐矿物的晶体结构断面单位图（a a）云母；（）云母；（b b）蒙脱石；（）蒙脱石；（c c）绿泥石；）绿泥石；（d d）高岭石或蛇纹石；（）高岭石或蛇纹石；（e e）多水高岭石；（）多水高岭石；（f f）尚未发现，可能存在的结构）尚未发现，可能存在的结构图图10 10 具单层六方网层的层状基型硅酸盐矿物的晶体结构断面图具单层六方网层的层状基型硅酸盐矿物的晶体结构断面图（长方空框示阳离子层）（长方空框示阳

17、离子层）(a)高岭石；（b）蛇纹石；（c）叶蛇纹石；（d）皂石；（e）坡缕石；图图11 11 鱼眼石网层鱼眼石网层图图12 12 片硅碱钙石双层网层片硅碱钙石双层网层 图图13 13 碱硅钙石双层网层碱硅钙石双层网层 图图14 14 水硅钙石网层水硅钙石网层 图图15 15 黄长石网层黄长石网层 图图16 16 钡铁钛石网层钡铁钛石网层 图图17 17 星叶石网层星叶石网层 图图18 18 葡萄石网层葡萄石网层 图图19 19 菱钾铁石网层菱钾铁石网层5 5 架状基型硅酸盐矿物架状基型硅酸盐矿物 图图20 20 透长石晶体结构透长石晶体结构（在（在c c轴方向呈现四环链）轴方向呈现四环链）图图21 21 方柱石晶体结构方柱石晶体结构（a）方柱石晶体结构在（001）面上的投影；（b）在（010）面上的投影图图5.22 5.22 钠沸石晶体结构钠沸石晶体结构（a）钠混石晶体结构的一部分在（001）面上的投影；（b）、（c）钠混石（b）和杆沸石（c）的晶体结构中SiO4和AlO4（阴影部分）所占的位置9 9 硼酸盐硼酸盐 磷酸盐磷酸盐 硫酸盐硫酸盐 碳酸盐碳酸盐 氟化物等氟化物等10 10 矿物的分选、提纯、深加工矿物的分选、提纯、深加工11 11 矿物的开发利用矿物的开发利用 请您欣赏分形 请请 您您 欣欣 赏赏 分 形 请您欣赏分形欢迎多提意见！欢迎多提意见！返回返回